TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT DYDUCH Janusz 1 KORNASZEWSKI Mieczysław 2 PNIEWSKI Roman 3 Samoczynna sygnalizacja przejazdowa, urządzenia komputerowe, sterowanie, sterowanie ruchem kolejowym, bezpieczeństwo METODY ZAPEWNIANIA BEZPIECZEŃSTWA SAMOCZYNNYCH SYGNALIZACJI PRZEJAZDOWYCH Współczesne systemy sterowania ruchem kolejowym są realizowane w postaci urządzeń komputerowych. Ze względu na specyfikę urządzeń srk, muszą one spełniać ostre wymagania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności. W artykule poruszono zagadnienia związane z bezpieczeństwem komputerowych systemów sterowania ruchem kolejowym na przykładzie systemów samoczynnej sygnalizacji przejazdowej. METHODS OF ENSURING SAFETY OF AUTOMATIC OF THE LEVEL CROSSINGS Existing systems of railway traffic control are implemented in computer equipment form. Due to the specificity of railway traffic control devices, they must meet stringent of safety and reliability requirements. The article presents issues related to safety of computer systems of railway traffic control what is shown on the example of automatic of systems of the level crossing. 1. WSTĘP Urządzenia sterowania ruchem kolejowym (srk) słuŝą do zapewnienia bezpieczeństwa przemieszczania pojazdów po sieci kolejowej i wymaganej sprawności w sposób uzasadniony technicznie i ekonomicznie. NiezaleŜnie od technologii, w jakiej są wykonane (mechaniczne, elektromechaniczne, przekaźnikowe, hybrydowe, komputerowe) zawsze mają to samo przeznaczenie. Wymagania bezpieczeństwa na kolei, obwarowane konkretnymi przepisami, mogą być spełnione na drodze sprzętowej lub teŝ w przypadku urządzeń komputerowych na drodze programowej. W systemach komputerowych zwiększenie bezpieczeństwa osiąga się w najprościej przez redundancję urządzeń i oprogramowania, ale równieŝ i innymi sposobami. 1 Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , j.dyduch@pr.radom.pl 2 Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , m.kornaszewski@pr.radom.pl 3 Politechnika Radomska, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , Fax: , r.pniewski@pr.radom.pl

2 848 Janusz DYDUCH, Mieczysław KORNASZEWSKI, Roman PNIEWSKI Szczególnie newralgicznymi miejscami na kolei są przejazdy kolejowe, czyli skrzyŝowania w jednym poziomie drogi kolejowej z kołową, na których mogą wystąpić znaczne szkody materialne oraz często ofiary w ludziach. Jest to szczególnie istotnie z uwagi na wielkości charakteryzujące ruch pojazdów szynowych, takie jak: prędkość, cięŝar, droga hamowania mają one pierwszeństwo przejazdu na przejeździe kolejowym przed pojazdami poruszającymi się po drogach kołowych. Polskie ustawodawstwo dotyczące zabezpieczenia jednopoziomowych skrzyŝowań linii kolejowych z drogami kołowymi opiera się na Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać skrzyŝowania linii kolejowych z drogami publicznymi i ich usytuowanie z dnia r., które dopuszcza takie skrzyŝowania na liniach kolejowych o max. prędkości pociągów do 160km/h i wyróŝnia 6 kategorii skrzyŝowań: kategoria A przejazd uŝytku publicznego z rogatkami lub bez rogatek, na którym ruch na drodze kierowany jest sygnałami nadawanymi przez pracowników kolejowych, na liniach o max. prędkości do 160km/h, kategoria B przejazd uŝytku publicznego z samoczynną sygnalizacją świetlną i z półrogatkami, na liniach o max. prędkości do 160km/h, kategoria C przejazd uŝytku publicznego z samoczynną sygnalizacją świetlną lub uruchamiany przez pracowników kolei, na liniach o max. prędkości do 140km/h, kategoria D przejazd uŝytku publicznego bez rogatek i półrogatek i bez samoczynnej sygnalizacji świetlnej, na liniach o max. prędkości do 120km/h, kategoria E przejścia uŝytku publicznego, kategoria F przejazdy i przejścia uŝytku niepublicznego. 2. SAMOCZYNNA SYGNALIZACJA PRZEJAZDOWA 2.1 Idea funkcjonowania Urządzenia samoczynnej sygnalizacji przejazdowej (ssp) słuŝą do zabezpieczenia ruchu na skrzyŝowaniach w jednym poziomie dróg kołowych z liniami kolejowymi. Urządzenia te uruchamiane są przez zbliŝający się do przejazdu pociąg za pomocą czujników torowych (ewentualnie elektrycznych obwodów nakładanych). Na przejeździe zainstalowane są urządzenia ostrzegawcze, w skład których wchodzą: sygnalizatory drogowe świetlne (2 4 szt.) uzupełnione sygnałem dźwiękowym oraz jedna lub dwie pary półrogatek. Uruchomienie sygnalizacji następuje na minimum 30 sekund przed wjechaniem czoła pociągu na przejazd, a wyłączenie po około 5 sekundach od momentu zjechania ostatniej osi z przejazdu kolejowego. W skład mikroprocesorowych samoczynnych sygnalizacji przejazdowych wchodzą następujące urządzenia: oddziaływania (wykrywające zbliŝający się do przejazdu pociąg, np. czujniki torowe), sterująco-kontrolne (szafy aparatowo-zasilające ze sterownikami PLC), ostrzegawcze (sygnalizatory drogowe, dzwony, napędy rogatek, tarcze ostrzegawcze przejazdowe), pomocnicze dla celów wizualizacji działania urządzeń ssp, diagnostyczne (urządzenia zdalnej kontroli, przenośne panele diagnostyczne, a w wyjątkowych przypadkach moduły diagnostyczne).

3 METODY ZAPEWNIANIA BEZPIECZEŃSTWA SAMOCZYNNYCH W latach 90 XX wieku do powszechnego stosowania na kolejach polskich przyjęto trzy nowoczesne systemy samoczynnej sygnalizacji przejazdowej skonstruowane w oparciu o sterowniki mikroprocesorowe, z zastosowaniem rozbudowanych mechanizmów autokontroli, rejestracji zdarzeń i diagnostyki technicznej, umoŝliwiającej zdalne uzyskiwanie informacji o zdarzeniach oraz rodzajach usterek. Są to systemy wyprodukowane przez firmy: Bombardier ZWUS Katowice, Scheidt & Bachmann i Siemens, czy teŝ nieco później Zakłady Automatyki KOMBUD S.A. z systemem RASP- 4. Rys.1. Przykład rozmieszczenia urządzeń zabezpieczających w samoczynnej sygnalizacji przejazdowej (przejazd kolejowy kategorii B) 3. ROZWIĄZANIA SPRZĘTOWE I PROGRAMOWE ZABEZPIECZANIA SAMOCZYNNYCH SYGNALIZACJI PRZEJAZDOWYCH Podstawową cechą bezpiecznych realizacji komputerowych systemów sterowania przyjętą w kolejnictwie jest zasada fail-safe, która mówi, Ŝe pojedyncze uszkodzenie (sprzętu, oprogramowania) lub zakłócenie nie moŝe spowodować sytuacji niebezpiecznej, przy załoŝeniu, Ŝe prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia podwójnego (wielokrotnego) jest pomijalnie małe. W celu zapewnienia bezpieczeństwa komputerowych systemów wymagane jest spełnienie przez systemy wymagań zawartych w normach: EN i EN 50129, EN lub EN (dla otwartych systemów transmisji). Wprowadzenie dowolnego systemu wymaga przeprowadzenia dowodu bezpieczeństwa. Zgodnie z normą dokumentacja dowodu bezpieczeństwa powinna zawierać: definicja systemu, raport zarządzania jakością (rozdz. 5.2 normy EN 50129), raport zarządzania bezpieczeństwem (rozdz. 5.3 normy EN 50129), raport bezpieczeństwa technicznego, powiązane dowody bezpieczeństwa, wniosek Wszystkie wymagane działania w czasie projektowania, wdraŝania i eksploatacji elektronicznych systemów SRK zebrano tabelach E1 E10 (załącznik E do normy EN 50129). Bezpieczne działanie systemu wymaga prawidłowej reakcji na uszkodzenia. Do kategorii I usterek (zagraŝających bezpośrednio bezpieczeństwu ruchu) zalicza się: 1. usterkę czujników włączających dla kaŝdego toru i kierunku jazdy; 2. brak ciągłości kabla w obwodach czujników torowych;

4 850 Janusz DYDUCH, Mieczysław KORNASZEWSKI, Roman PNIEWSKI 3. obniŝenie napięcia baterii akumulatorów poniŝej ustalonego progu; 4. awarie uniemoŝliwiające poprawną pracę systemu wykryte przez układy samokontroli. stwierdzenie braku komunikacji z układami przez którykolwiek ze sterowników, brak komunikacji pomiędzy PLC a kontrolerem magistrali, brak obecności jednego sterownika wykryty przez drugi sterownik, brak zgodności między sterownikami w zdiagnozowanych stanach awarii kategorii I lub II; 5. brak ciągłości włókien Ŝarówek w sygnalizatorach drogowych; 6. brak ciągłości drągów rogatkowych; 7. awarię napędów - nieprawidłowe połoŝenie drągów rogatkowych w stanie ostrzegania. W przypadku wykrycia usterki kategorii I powinno nastąpić ograniczenie prędkości pociągów w strefie przejazdu (załączenie pomarańczowych świateł na sygnalizatorach TOP). Ponadto w przypadku uszkodzenia czujników wjazdowych, sterownika lub utraty transmisji system przechodzi natychmiast w stan ostrzegania Rozwiązania sprzętowe Elementy (sterowniki), które bezpośrednio wpływają na bezpieczeństwo zrealizowano jako układy dwukanałowe, pracujące na zasadzie 2 z 2. Oznacza to, Ŝe do prawidłowego funkcjonowania jest niezbędna prawidłowa i zgodna praca obu kanałów sterowników. W celu zwiększenia poziomu bezpieczeństwa systemu zastosowano asymetrię rozkazów wysyłanych ze sterowników decyzyjnych do urządzeń wykonawczych dla zamknięcia rogatek i załączenia sygnalizatora wystarcza komenda wysłana przez jeden ze sterowników decyzyjnych, otwarcie przejazdu wymaga potwierdzenia komendy przez obydwa sterowniki. zapalenie białych świateł a tarczach ostrzegawczych TOP przez sterowniki wymaga przesłania niezaleŝnych komend od obu sterowników Rozwiązania programowe Zgodnie z tabelami A2 i A18 normy CENELEC przy oprogramowaniu bezpiecznych systemów sterowania stosuje się odpowiednie środki. Wymagania, określające współpracę sterowników i urządzeń zdalnych powinny być opracowane przez projektanta w postaci diagramów czasowych, określających następstwo sygnałów i komunikatów. W diagramach tych pisuje się ściśle określone ramy czasowe opisujące wymagane czasy reakcji poszczególnych urządzeń, oraz następstwo (w postaci opisu odpowiadającego składni FSM) poszczególnych: sygnałów, stanów i komunikatów. W programie sterowników decyzyjnych stosuje się następujące środki (zgodnie z wytycznymi normy): programowanie defensywne, sprawdzanie zakresów zmiennych, sprawdzanie wartości indeksów dla tablic, sprawdzanie wartości i wiarygodności sygnałów wejściowych (odbierane dane nie mogą być sprzeczne),

5 METODY ZAPEWNIANIA BEZPIECZEŃSTWA SAMOCZYNNYCH redundancja informacji - dane o stanie poszczególnych elementów przechowywane są w róŝnych zmiennych i informacja z tych zmiennych nie moŝe być sprzeczna (chroni to program przed przekłamaniami dla poszczególnych zmiennych). Oprogramowanie sterownika powinno uwzględniać wytyczne, zawarte w tabeli A.18 normy, tzn.: blok decyzyjny programu realizowany w oparciu o automat stanów (poszczególne sytuacje odwzorowane są w postaci odrębnych stanów), poszczególne zadania dotyczące komunikacji, analizy odebranych sygnałów i komunikatów oraz podejmowanie decyzji i wysyłanie rozkazów, realizowane w postaci osobnych funkcji i procedur. Procedury te wybierane są przez automat stanów lub wywoływane sekwencyjnie w przypadku konieczności zachowania odpowiednie kolejności sekwencji. 4. PORÓWNANIE WYBRANYCH MIKROPROCESOROWYCH SAMOCZYNNYCH SYGNALIZACJI PRZEJAZDOWYCH 4.1. Budowa sygnalizacji przejazdowej SPA-5 Urządzenia sterowania i zasilania umieszczono w szafie kontenerowej ERR-10, przy czym urządzenia poszczególnych kanałów (A, B) zainstalowano na odrębnych stojakach. Na stojakach dla poszczególnych kanałów zmontowano: moduł jednostki centralnej (7CP ) serii 2003 firmy Bernecker & Rainer, moduły wejść/wyjść (7DI439.7, 7DM465.7, 7DM435.7, 7DI435.7), moduły przetwornic typu EDL-52, moduł sterowania ręcznego MP typu EMH-2, moduł generatora dźwięku typu EDG-4, moduły interfejsów czujników pociągu typu EOD-10, moduły stabilizatorów typu EMF-60, EMF-61, interfejs przekaźnikowy EDJ-43. Rys. 2. Widok stojaków zasilania i sterowania sygnalizacji przejazdowej SPA-5

6 852 Janusz DYDUCH, Mieczysław KORNASZEWSKI, Roman PNIEWSKI 4.2. Budowa sygnalizacji przejazdowej RASP-4f WyposaŜenie kontenera głównego stanowią: układ zasilania, baterie akumulatorów, sterownik PLC(I) serii 90-30, sterownik PLC(II) serii 90-30, bloki wejścia/wyjścia GENIUS, terminal operatorski TIU 110, modem do komunikacji z RASP-UZK. Rys. 3. Fragment stojaka z aparaturą sterującą sygnalizacji przejazdowej RASP-4f Aparatura sterująco-kontrolna zlokalizowana jest w kontenerze głównym RASP-KG. Odbiera ona i analizuje sygnały pochodzące od urządzeń oddziaływania pociągu (czujników torowych) oraz steruje następującymi urządzeniami zewnętrznymi: sygnalizatorami drogowymi, napędami rogatkowymi, tarczami ostrzegawczymi przejazdowymi. 5. WNIOSKI W praktycznych rozwiązaniach komputerowych systemów srk zwiększenie bezpieczeństwa osiąga się najczęściej przez nadmiar strukturalny. W najprostszy sposób realizuje się ją przez dwukanałową budowę układów, polegającą na zastosowaniu dwóch równolegle pracujących kanałów funkcjonalnych i komparacji ich pracy oraz dwa niezaleŝne programy napisane przez róŝne zespoły programistów. Zastosowanie samoczynnej sygnalizacji przejazdowej wykonanej w technice komputerowej, jak np. wyrobów produkcji Bombardier ZWUS Katowice, Scheidt & Bachmann, Siemens czy Z.A. KOMBUD Radom powoduje znaczne

7 METODY ZAPEWNIANIA BEZPIECZEŃSTWA SAMOCZYNNYCH oszczędności eksploatacyjne (tj. skrócenie czasu przejazdu, zmniejszenie kosztów zuŝycia energii), a jednocześnie zapewni odpowiedni poziom bezpieczeństwa komunikacyjnego. Praca urządzeń samoczynnej sygnalizacji przejazdowej jest kontrolowana za pomocą urządzeń zdalnej kontroli (uzk), wykonanych w postaci specjalnego powtarzacza lub komputera diagnostycznego. Urządzenia te pozwalają na kontrolę ciągłości włókien Ŝarówkowych, połoŝenia i ciągłości drągów rogatek, połączenia z czujnikami, sprawności układów sterujących, itp. Kontrola działania komputerowych urządzeń ssp polega m.in. na sprawdzaniu on-line oprogramowania sygnalizacji. Funkcje sterujące sygnalizacji przejazdowej realizowane są przez dwa róŝne programy, których wyniki są porównywane. Dodatkowo kontrolowany jest czas wykonania obu programów, komunikacja między sterownikami sygnalizacji, itp. 6. BIBLIOGRAFIA [1] Dokumentacja Techniczno-Ruchowa: Samoczynna sygnalizacja przejazdowa typu SPA-5, Bombardier Transportation (ZWUS) Polska, Katowice [2] Dokumentacja Techniczno-Ruchowa: Samoczynna sygnalizacja przejazdowa RASP-4F, Z.A. KOMBUD S.A. - KOMSTER S.A., Radom-Warszawa [3] Dyduch J., Kornaszewski M.: Analiza bezpieczeństwa systemów automatyki przejazdowej, XI Konferencja Drogi kolejowe 01, Wrocław-śmigród [4] Dyduch J., Kornaszewski M.: Systemy sterowania ruchem kolejowym, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom [5] Dyduch J.: Innowacyjne systemy sterowania ruchem kolejowym. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom [6] Kornaszewski M., Łukasik Z.: Safe implementation of automatic microprocessor systems of level crossing on the example of the SPA-4 system, PROBLEMY TRANSPORTU Tom 2 Zeszyt 2, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [7] Kornaszewski M.: Safe computer solutions applied in new generation railway traffic control systems. Computer Systems Aided Science And Engineering Work in Transport, Mechanics and Electrical Engineering. Kasimir Pulaski Technical University of Radom, Faculty of Transport, Monograph No 122, Radom [8] Lewiński A.: Problemy oprogramowania bezpiecznych systemów komputerowych w zastosowaniach transportu kolejowego, Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom [9] Normy CENELEC: EN50128, EN0129, EN , EN [10]